【導讀】利用ANC和ASD等音頻技術，汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨特的發(fā)動機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP，主處理器工作負載可以有效分流，滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
節(jié)能技術雖然推動了環(huán)保汽車的發(fā)展，卻也造成駕駛室噪音問題的加劇。為降低噪音，汽車工程師利用車載音頻系統(tǒng)實現(xiàn)主動降噪控制(ANC)。汽車制造商致力于應用主動音效設計(ASD)技術產生獨特的引擎聲音，以達到降噪效果。本文旨在探討如何應用專屬音頻DSP助力ANC和ASD系統(tǒng)減少延遲、提高性能并降低成本。
簡介
特定駕駛條件下，棄用減振材料并利用更少的氣缸實現(xiàn)更高引擎效率，是打造節(jié)能汽車的重要手段。然而，這項節(jié)能技術卻無法最大程度減少駕駛室內的噪聲。舉個例子，缸徑小的發(fā)動機轉速(RPM)也較低，低頻率運轉會產生更大的噪聲。為此，汽車工程師求助于ANC技術以期實現(xiàn)主動降噪。
圖1：典型的客車主動降噪系統(tǒng)。
ANC技術基于相干聲學原理， 旨在精確復原所有噪聲來源在任意時間的原始聲場，包括實時及反相噪音。ANC系統(tǒng)接入車載音響與麥克風，通過在無線電或音響系統(tǒng)中使用信號處理產生反相位噪音，抵消發(fā)動機噪聲，實現(xiàn)主動降噪。在音頻子系統(tǒng)中搭載小型DSP非常有效，主處理器也可以更專注于計算密集型任務。圖1展示了典型的客車主動降噪系統(tǒng)設計原理。發(fā)動機噪聲頻率范圍通常在30～250Hz之間，揚聲器系統(tǒng)應生成相同頻率的反相位噪聲以抵消噪音。ANC技術還可用于混合動力汽車，減少電池充電時產生的噪音。
圖2：不同主動音響設計環(huán)境的分貝水平。
如今，眾多主流車型將主動聲學技術與車載信息娛樂系統(tǒng)集成起來影響汽車的聲效，也就是我們通常所稱的ASD。以寶馬M5為例，該車型支持數(shù)字信號處理，與引擎管理器進行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)轉速、扭矩、汽車行駛速度等信息生成不同的引擎運行聲音。如果駕駛員切換至Sport或Sport+模式，引擎靈敏度增強，駕駛室內的聲音體驗變得刺耳。圖2展示了一些實際應用案例。越來越多的車載信息娛樂系統(tǒng)選用高度集成的系統(tǒng)級芯片(SoC)、高性能標準CPU與軟件基礎設施以支持ASD技術。
信息娛樂系統(tǒng)之前世今生
如果現(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)搭載具有多個(通常是無線)接口的通訊集線器，即可實現(xiàn)高度集成，功能也會更加豐富。實現(xiàn)這一目標并不簡單，因為封裝尺寸及功耗都有很大的局限性，還必須滿足散熱需求。從設計角度來看，信息娛樂系統(tǒng)通常需要搭載強大的標準多核處理器，操作系統(tǒng)和中間件也要足夠開放以支持不同平臺。很多系統(tǒng)設計師選擇使用跨功能SoC來支持車載無線電調諧器和音頻功能。
利用專屬DSP實現(xiàn)主動降噪
主動降噪技術對延遲有要求，因此并不適用于主流音頻框架。所以，為信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)SoC時，必須考慮主動降噪技術對音頻信號的獨特需求：
·高帶寬，48kHz采樣頻率；
·高動態(tài)范圍，≥24bit；
·多通路(≥20個音頻輸入通路，20個目標輸出通路)；
·源匯不同步，時鐘域不同；
·復雜的信號處理和模塊處理；
·不支持中斷和同步功能。免提語音控制和緩沖等應用需要低延遲環(huán)境。
回顧第一代主動音響系統(tǒng)，汽車設計師在車輛上增加了一個額外的控制單元，利用DSP進行功率放大器和揚聲器音頻信號控制，以營造車載麥克風與揚聲器系統(tǒng)所需的低延遲環(huán)境。新一代系統(tǒng)中，設計師將主動降噪技術集成到基于DSP的強大功放。然而，這一方案十分昂貴，不適用于經濟型汽車。
在當今的經濟型汽車中，功放通常集成于音響主機中的無線電組件。音響主機則在大型嵌入式CPU或多CPU平臺上運行，為導航、信息娛樂和智能手機應用提供支持。此方案可以保證所需的計算能力，但無法實現(xiàn)低延遲環(huán)境。這一沖突通常是由OS-Linux操作系統(tǒng)引起的，OS-Linux在任務切換時僅能實現(xiàn)100ms延遲，遠遠滿足不了ANC的最低要求。
為滿足音頻組件的低延遲和成本需求，分流主處理器負載并將小型專用DSP集成到So C以實現(xiàn)主動降噪是個不錯的選擇。這樣一來，主處理器可以專注于運行計算密集型任務；DSP則可收集車輛、麥克風和揚聲器的數(shù)據(jù)，并為這些應用執(zhí)行功能軟件。Cadence的Tensilica HiFi DSP支持超過160種音頻、聲音、語音識別以及音頻和語音增強軟件包， 該IP支持所有SoC設計。DSP提供充足的計算資源以支持其它音頻處理算法，包括聲學回聲消除、波束形成和聲場擴展。
總結
利用ANC和ASD等音頻技術，汽車制造商可以最大限度地降低引擎噪音并創(chuàng)造出獨特的發(fā)動機聲效。搭載支持ANC和ASD算法的小型低功耗專屬DSP，主處理器工作負載可以有效分流，滿足車輛對系統(tǒng)性能、能耗和成本的需求。
本文來源于電子技術設計。
